激光焊接技术在焊接双极板的应用

燃料电池技术是一种很有前途的在汽车内部发电的方法，每个燃料电池由数百个双极板组成，这些双极板将膜电极组件隔开，并形成冷却通道。双极板本身由两个焊接在一起的金属板组成，每个金属板的厚度为70~100μm。下面介绍激光焊接技术在焊接双极板的应用。

在双极板的焊接中，对焊接质量有着非常明确的要求：冷却通道需要对氦气具有良好的气密性，焊接头要具备低电阻。为了将这种薄金属板无缺陷地焊接在一起，需要使用单模激光和适当的焊接光学元件，将非常小的光斑聚焦到工件上。对于当前的应用而言，已经有比较成熟的工艺参数设置；但是若要适应未来的应用需求，则必须要重新调整参数设置。

通常，单个双极板上会有1.5米甚至更长的焊缝。假设一个燃料电池中有200块双极板，燃料电池每年的产能为100万块，那么一条在生产线上每年要产生30万公里的焊缝长度。这个数字比汽车行业的传统激光焊接量要高出几个数量级，这为双极板的制造带来了一个巨大挑战：如何通过提高焊接速度和减少辅助工艺时间，以最大限度地提高生产能力。

基于扫描振镜的远程激光焊接，使用2D或3D扫描系统以给定角度偏转光束，能够实现远超过100m/min的焊接速度。但美中不足的是，焊接过程中的稳定性不尽人意：当焊接速度超过45~50m/min时，焊缝中就会出现无法容忍的缺陷，这导致扫描振镜和可用的激光功率无法充分发挥作用。

高速焊接箔材时，最严重的焊接缺陷是驼峰效应。熔化的材料被喷射到熔池的后侧，会对焊缝中已经凝固的材料形成撞击。液相材料并不是沿表面均匀分布，而是由于其自身的表面张力而形成球形聚积，这会导致焊缝中形成一个个明显的隆起，就像驼峰一样。

激光焊接机在焊接双极板时研发人员选择了一种科学的方法，通过有限元法（FEM）模拟驼峰的形成和预防，该方法涉及多个参数，包括：激光功率和光束特性、工件特性、焊接速度和热传导特性。首先，驼峰的形成得到了验证。随后，对熔池后端辅助热源的多种光束特性进行了评估。最终找到了一组参数，在这组参数下形成的温度场能够完全阻止驼峰效应。光束整形是一项相关技术，它有助于充分发挥激光与材料相互作用所提供的所有潜能。

最后，通过试验证明在70m/min的焊接速度下，不会出现明显的驼峰现象。将功率增加到820W、焊接速度依然为70m/min，使用未整形的标准光斑和整形后的环形光斑，分别获得的焊接结果；使用整形后的环形光束能获得较高的焊缝质量，瑞丰光电激光十六年专注研发和生产激光设备，凭借多年的激光设备研发经验，产品技术成熟，产品性能安全稳定。公司遵循“技术创新、产品创新、服务创新”的经营理念，给客户提供最优质的产品及服务。

以上就是激光焊接技术在焊接双极板的应用，双极板焊接的工艺改进并不限于光束整形。未来的工作将包括实施动态焊接和多重叠扫描场，以实现更高的焊接速度。激光焊接是一种涉及诸多层面的技术，需要跨学科团队的不断努力。

审核编辑：汤梓红